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1、第第9章章 電力電子技術電力電子技術 9.1電力半導體器件電力半導體器件 常用的電力半導體器件按控制方式來分類：n不可控器件n半可控器件n全可控器件。不可控器件n整流二極管n快速恢復二極管n肖特基二極管 半可控器件n普通晶閘管n高頻晶閘管n雙向晶閘管n光控晶閘管 全可控器件n功率晶體管（BJT）n功率場效應管（Power MOSFET）n絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）n靜電感應晶體管（SFT）n可關斷晶閘管（GTO）n靜電感應晶閘管（SITH） 9.1.1 晶閘管 n晶閘管（thyristor）是硅晶體閘流管的簡稱，是一種大功率半可控元件，俗稱可控硅（silicon controlled re

2、ctifier，簡稱SCR）。晶閘管的出現(xiàn)起到了弱電控制與強電輸出之間的橋梁作用 。晶閘管的結(jié)構(gòu) n晶閘管是三端（陽極A、陰極K、門極G）四層半導體開關器件 AAGGKKN2P2N1P1晶閘管的工作原理 正反反正Q2Q1EAEGELKGARRP圖9-2 晶閘管的導通關斷實驗電路 n（1）晶閘管的導通條件。在晶閘管的陽極和陰極間加正向電壓，同時在它的門極和陰極同也加正向電壓，兩者缺一不可。n（2）晶閘管一旦導通，門極即失去控制作用，因此門極所加的觸發(fā)電壓一般為脈沖電壓。晶閘管從阻斷變?yōu)閷ǖ倪^程稱為觸發(fā)導通。n（3）晶閘管的關斷條件。使流過晶閘管的陽極電流小于維持電流IH。維持電流IH是保持晶閘

3、管導通的最小電流。 NPNPNPIB2IGIC1IC0IKIC2EGV1GAIAEAELK圖9-3 晶閘管工作原理示意圖 晶閘管的伏安特性 OIHIG=0UR0URSMURRMUDSMUDRMUB1UB2IG2IG1UB0IAUA圖9-4 晶閘管的陽極伏安特性 晶閘管的主要參數(shù) n（1）額定電壓UR n通常按照電路中晶閘管正常工作峰值電壓的23倍的電壓值選定為晶閘管的額定電壓，以確保用電安全。n（2）通態(tài)峰值電壓UTM 規(guī)定為額定電流時的管壓降峰值，一般為1.52.5V，且隨陽極電流的增大而略微增加。額定電流時的通態(tài)平均電壓降一般為1V左右。n（3）額定電流IR 在環(huán)境溫度不大于40和標準散熱

4、及全導通的條件下，晶閘管元件可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流（在一個周期內(nèi)）的平均值，稱為額定通態(tài)平均電流IT，簡稱額定電流。n（4）浪涌電流ITSM 晶閘管在規(guī)定的極短時間內(nèi)所允許通過的沖擊電流值，通常ITSM比額定電流IR大4倍。例如額定電流為100A的元件，其值為（1.31.9）kA。n（5）維持電流IH 在規(guī)定的環(huán)境溫度和控制極斷路時，維持元件繼續(xù)導通的最小電流稱維持電流IH，一般為幾十mA一百多mA， n（6）擎住電流IL晶閘管在觸發(fā)電流作用下被觸發(fā)導通后，只要晶閘管中的電流達到某一臨界值時，就可以把觸發(fā)電流撤除，這時晶閘管仍自動維持通態(tài)，這個臨界電流值稱為擎住電流IL。通常擎住電流I

5、L要比維持電流IH大24倍。 9.1.2 其它電力半導體器件 n1. 雙向晶閘管（TRIAC） n雙向晶閘管的外形與普通晶閘管類似，可直接工作于交流電源，其控制極對于電源的兩個半周均有觸發(fā)控制作用，即雙方向均可由控制極觸發(fā)導通，它相當于兩只普通的晶閘管反并聯(lián)，故稱為雙向晶閘管或交流晶閘管。 T2GGGT1T2T1圖9-5 雙向晶閘管電路符號與等效電路 2. 可關斷晶閘管（GTO） AAGGKKN2P2N1P1圖9-6 GTO的結(jié)構(gòu)與電路符號 3. 電力晶體管（GTR） n電力晶體管是一種雙極性大功率高反壓晶體管，可在高電壓和強電流下使用，這種晶體管稱為電力晶體管，也稱功率晶體管或巨型晶體管，簡

6、稱GTR。GTR大多采用NPN型。電力晶體管在應用中多數(shù)作為功率開關使用，主要要求其有足夠的容量（高電壓、大電流）、適當?shù)脑鲆?、較高的工作速度和較低的功率損耗等。當GTR飽和導通時，其正向壓降為（0.30.8）V，而晶閘管一般為1V左右。 4. 電力場效應晶體管（電力MOSFET）n場效應管有三個電極，柵極G、漏極D和源極S。由柵極控制漏極和源極之間的等效電阻，使場效應管處于截止或?qū)顟B(tài)。場效應管可分為結(jié)型場效應管和絕緣柵型場效應管兩大類。 UGSGDSUDSIDRLRLIDUDSUGSSGDP導電溝道絕緣層SiO2絕緣層SiO2N2N1GSSDG (a)結(jié)構(gòu) (b)N溝道 (c)P溝道圖9

7、-7 MOSFET基本結(jié)構(gòu)、圖形符號及外接電路 5. 絕緣柵雙極晶體管（IGBT） nIGBT從結(jié)構(gòu)上可以看做是一種復合器件，圖形符號和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等效電路如圖9-8所示。其輸入控制部分為MOSFET，輸出級為雙極結(jié)型三極晶體管，因此兼有MOSFET和GTR的優(yōu)點，即高輸入阻抗、電壓控制、驅(qū)動功率小、開關速度快、工作頻率高、飽和壓降低、電壓電流容量較大、安全工作區(qū)域?qū)挼忍攸c。 EST2T1icRRdrRGEGABCGEECG（a）結(jié)構(gòu) （b）等效電路圖9-8 IGBT符號及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等效電路 9.2電力半導體器件的驅(qū)動電路電力半導體器件的驅(qū)動電路 n9.2.1 半控型電力半導體器件的驅(qū)動電路 對于觸

8、發(fā)電路的要求如下：（1）為了使器件可靠地被觸發(fā)導通，觸發(fā)脈沖的數(shù)值必須大于門極觸發(fā)電壓UCT和門極觸發(fā)電流ICT，即具有足夠的觸發(fā)功率。但其數(shù)值又必須小于門極正向峰值電壓UCM和門極正向峰值電流ICM以防止晶閘管門極的損壞。（2）為了保證控制的規(guī)律性，各晶閘管的觸發(fā)電壓與其主電壓之間具有較嚴格的相位關系，即保持同步。n（3）為了實現(xiàn)變流電路輸出的電壓連續(xù)可調(diào)，觸發(fā)脈沖應能在一定的范圍進行移相。例如，單相全控橋電阻負載要求觸發(fā)脈沖移相范圍為180；而三相全控橋電感性負載（不接續(xù)流管時）要求觸發(fā)脈沖的移相范圍是90。n（4）多數(shù)晶閘管電路還要求觸發(fā)脈沖的前沿要陡，以實現(xiàn)精確的觸發(fā)導通控制。當負載為

9、電感性時，晶閘管的觸發(fā)脈沖必須具有一定的寬度，以保證晶閘管的電流上升到擎住電流以上，使器件可靠導通。 a）正弦波 b）尖脈沖 c）方脈沖 d）強觸發(fā)脈沖 e）脈沖列圖9-9 常見的觸發(fā)脈沖電壓波形 1. 單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)和特性 Rb1Rb2IeUbbUeeAVDebb2P區(qū)Nb2bb2b （a）結(jié)構(gòu) （b） 等效電路 （c）圖形符號圖9-10 單結(jié)晶體管 =常數(shù)UbbmAIeUeIvIpUpUvPVOV谷點峰點負阻區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)圖9-11單結(jié)晶體管的特性曲線 2. 單結(jié)晶體管的自振蕩電路 b1b2eSucuoUPUVucuooottR2RR1CE（a）電路圖 （b）波形圖圖9-12 單結(jié)晶體管

10、的自振蕩電路 3. 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路 TiuDusb1b2euCV2V1VT2VT1uRAVR1R2RC圖9-13 單相半控橋式整流電路的觸發(fā)電路 9.2.2 全控型電力半導體器件的驅(qū)動電路 n驅(qū)動電路的具體形式可以是分立器件構(gòu)成的驅(qū)動電路，但目前的趨勢是采用專用的集成驅(qū)動電路，而且為達到參數(shù)最佳配合，應首先選擇使用電力電子器件的生產(chǎn)廠家專門為其器件開發(fā)的集成驅(qū)動電路。 1. 電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路 nGTO的門極控制電路包括開通電路、關斷電路和反偏電路。GTO的觸發(fā)導通過程與普通晶閘管相似，而關斷則不同，門極控制技術關鍵在于關斷。影響關斷的因素主要有：被關斷的陽極電流、負載阻抗的性質(zhì)、工

11、作頻率、緩沖電路、關斷控制信號波形及溫度等。 GTOLV3V2V1R4R3R2R1C4C3C1C2VD3VD2VD1VD4N3N2N1圖9-14 典型的直接耦合式GTO驅(qū)動電路 2. 電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路 SDMOSFET20V20VGUCCRG+UCCV3V2AV1Bui圖9-15 電力MOSFET的一種驅(qū)動電路 9.3晶閘管調(diào)壓電路晶閘管調(diào)壓電路 n9.3.1 直流斬波電路 1直流斬波器的工作原理 -+UduVT1LVDREUdutTUavtontoffD（a）原理電路 （b）斬波后的輸出電壓圖9-16晶閘管直流斬波器 2斬波器電路 n（a）原理電路 （b）波形圖n圖 9-17 斬波電

12、路及其波形 Tug2ug1ug2ug1ttOOuudVT2R+CRfzVT1ud_E+t19.3.2 交流調(diào)壓電路 n9.3.2.1 單相交流調(diào)壓電路 圖9-18 單相交流調(diào)壓電路的基本形式 1電阻性負載 uG1uG2uG1tOuTioOttOuouGOttOuiuiuTuoioVT2VT1R（a）原理電路 （b）波形圖圖9-19電阻性負載 2. 電感性負載 n圖9-20 電感性負載原理電路 ZRuRLiVT2VT1u2LuOOOiu2,ugug1ug2uOOOiu2,ugug1ug2ug2ug1u2,ugiOOOu圖9-21電感性負載波形圖 n單相交流調(diào)壓有如下特點：n（1）電阻性負載時，負

13、載電流波形與單相橋式可控整流交流側(cè)電流一致。改變觸發(fā)控制角可以連續(xù)改變負載電壓的有效值，達到交流調(diào)壓的目的。n（2）電感性負載時，不能用窄脈沖觸發(fā)。否則當 時，會出現(xiàn)一個晶閘管無法導通，并產(chǎn)生很大直流分量電流，燒毀熔斷器或晶閘管。n（3）電感性負載時，最小觸發(fā)控制角=。所以的移相范圍為0180；電阻負載時移相范圍為0180。 ABC(b)(c)ABC(e)CBA(f)ABC(d)(a)ABCOABC圖9-22 三相交流調(diào)壓電路的基本形式 9.4逆變電路逆變電路 整流是把交流電變換成直流電供給負載，而逆變就是整流的逆過程，也就是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的過程。在許多場合，同一套晶閘管或其他可控電力電

14、子變流電路既可作整流又可作逆變，這種裝置稱為變流裝置或變流器。根據(jù)逆變輸出交流電能去向的不同，又可將逆變電路分為有源逆變和無源逆變。有源逆變是以電網(wǎng)為負載，將逆變輸出的交流電能回送到電網(wǎng)。無源逆變是以用電器為負載，如交流電機、電爐等。 n1整流狀態(tài) （02） 9.4.1 有源逆變電路 tOu2UdEudu2ERudIdLdMNPVT4VT3VT2VT1圖9-23 整流工作狀態(tài) n2逆變狀態(tài) （2） tOu2UdEudu2ERudIdLdMNPVT4VT3VT2VT1圖9-24 逆變工作狀態(tài) 9.4.2 無源逆變電路n1逆變器的工作原理 tTEuouoRQ3Q4Q2Q1E（a）原理電路 （b）波

15、形圖圖9-25 逆變器工作原理 n換相方式主要有以下幾種。n（1）器件換相 使用全控器件，可以用控制極信號使其關斷，換相控制就會更加簡單。n（2）電網(wǎng)換相 可控整流電路和三相交流調(diào)壓電路，無論其工作在整流狀態(tài)還是有源逆變狀態(tài)，都是借助于電網(wǎng)電壓實現(xiàn)換相的，都屬于電網(wǎng)換相。在換相時，只要把負的電網(wǎng)電壓施加在欲關斷的晶閘管上即可使其關斷。n（3）負載換相 凡是負載電流的相位超前于負載電壓的場合，都可以實現(xiàn)負載換相。n （4）強迫換相 設置附加的換相電路，給欲關斷的晶閘管強迫施加反向電壓或反向電流的換相方式稱為強迫換相。ttttt1uVT4uVT1iououVTiVT3iVT2iiVT4iVT1iO

16、OOOuo,io_+RLCLduoidioUdVT3VT4VT2VT1（a）原理電路 （b）波形圖圖9-26 負載換相電路及波形 +負載VTVDCQLL負載Q+CVDVT負載C+QVT圖9-27 強迫換相電路 2基本逆變器電路 n（1）半橋逆變電路t5t6t3t4t2t1V2V1V2V1VD2VD1VD2VD1UmUmiouoOttOLRuoioC1C2Ud22UdUdV2V1VD2VD1（a）原理電路 （b）波形圖圖9-28 半橋逆變電路 （2）全橋逆變電路t3t2 t1 io uo OttOOttOu , iuG4uG3uG2uG1Otuo , ioLRUdV3VD3VD4V4V2VD2V

17、D1V1（a）原理電路 （b）波形圖圖9-29 全橋逆變電路及波形 9.5脈寬調(diào)制控制脈寬調(diào)制控制 n9.5.1 SPWM控制的基本原理 OOuutt圖9-30 用PWM波代替正弦半波 脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，簡稱PWM）控制技術，是通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值） 載波信號波調(diào)制電路ucurCUduoLRVD3VD4VD2VD1V2V4V3V1圖9-31 單相橋式SPWM逆變電路圖 n圖9-31 單相橋式SPWM逆變電路圖 載波信號波調(diào)制電路ucurCUduoLRVD3VD4VD2VD1V2V4V3V1UDUDOuof

18、uouotturucOu 圖9-32 單極性SPWM控制原理 n圖9-33雙極性SPWM控制原理 UDUDOuofuouotturucOu9.5.2 三相橋式SPWM逆變電路 V1VD1VD3V3VD5V5V2VD2V6VD6VD4V4UVWZNCCNUd22UdurUurVurW調(diào)制電路圖9-34 三相SPWM逆變電路 3Ud32UduUNuUVUdUduWNUd2Ud222UdUduVNuUNUd22UducurUurVurWuOttOOttOOttO圖9-35 三相SPWM逆變電路波形圖 9.5.3 PWM逆變電路的控制方式 n在PWM逆變電路中，載波頻率fc與調(diào)制信號頻率fr之比m = fcfr稱為載波比。根據(jù)載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM逆變電路可以有異步調(diào)制和同步調(diào)制兩種控制方